醫(yī)用β型鈦合金Ti15Mo (TB11)選區(qū)激光熔化成型性能研究

醫(yī)用β型鈦合金Ti15Mo (TB11)選區(qū)激光熔化成型性能研究

技術(shù)背景：

醫(yī)用鈦合金的分類主要從合金的基體相區(qū)分，在882.5℃以下為密排六方晶體結(jié)構(gòu)的α-Ti，在882.5℃以上時為體心立方晶體結(jié)構(gòu)的β-Ti。根據(jù)此前的文獻(xiàn)報道，合金元素對純鈦的相變溫度有很大影響。通常，合金元素被分為兩大類：α穩(wěn)定元素（如Al,C,O）和β穩(wěn)定元素（如Mo,Ta,Nb）。Al元素在α相中有很大的固溶度，在β相中幾乎不溶解，可顯著提高相變點，主要分布在6-8%的區(qū)間；Mo元素與β相無限溶解，但與α有限溶解，可降低相變點。β穩(wěn)定元素作為元素周期表中的過渡元素，添加穩(wěn)定過渡元素的強度取決于添加的量。通過調(diào)整合金元素的類型和數(shù)量，可以在室溫下保持β相。

本文主要針對β型鈦合金進(jìn)行分析研究，該鈦合金具有含量較高的β穩(wěn)定元素（Mo,Ta,Zr）和更少的α穩(wěn)定元素，因此不會形成任何的金屬間相。與α型鈦合金hcp相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無法進(jìn)行熱處理改性不同，β型鈦合金可通過熱處理，固溶處理，時效處理來提高強度，其中固溶時效是β鈦合金最常用的熱處理方法，能夠在β相基體中析出細(xì)小的α片晶進(jìn)行強化。而通過增加β型鈦合金中β相的比例，可以明顯提高其韌性，塑性，熱處理性能，時效硬化性，由此可降低材料的彈性模量。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，β型鈦合金與其他類型鈦合金相比具有更低的彈性模量，更接近人骨的彈性模量（10-30Gpa）。這有利于環(huán)節(jié)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。同時，由于在不同相之間存在micro-galvanic效應(yīng)，與（α+β）型鈦合金相比，β型鈦合金具有相似的強度和更好的生物相容性，并有望在人體環(huán)境匯總表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗腐蝕性能。因此，以無毒元素Nb,Zr,Ta,Mo,Sn等組成的β型鈦合金有望在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中二元Ti15Mo(TB11)合金已成為現(xiàn)在的研究熱點。Ti15Mo鈦合金無毒，彈性模量小，植入人體可有效避免Al,V等元素對人體的潛在毒性和應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，所以開發(fā)Ti15Mo用作新型醫(yī)用材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

生物應(yīng)用常見合金彈性模量

合金	彈性模量GPa
316L不銹鋼	210
鈷鉻合金	240
純鈦	100
TC4鈦合金	112
Ti6Al7Nb	110
β-Ti	40-80

Ti15Mo選區(qū)激光熔化實驗準(zhǔn)備：

粉末材料：

Ti15Mo合金粉末化學(xué)成分表

Ti15Mo粉末粒徑分布圖（平均粒徑：32.8μm）

Ti15Mo合金粉末微觀形貌

金屬3D打印設(shè)備：BLT-S210

技術(shù)參數(shù)：

選區(qū)激光熔化成型性能研究

1. 致密度研究

為了得到致密度最高的立方塊，進(jìn)行了兩次正交實驗，激光功率調(diào)節(jié)范圍從150W到350W，激光掃描速度調(diào)節(jié)從800mm/s到1400mm/s。所得第一次實驗結(jié)果如下圖所示，a中各顏色方塊上標(biāo)注的數(shù)字表示的是該加工參數(shù)下所對應(yīng)的致密度，其中藍(lán)色方塊為失敗樣品。打印失敗是因為能力密度過高使立方體四周發(fā)生翹曲現(xiàn)象。隨著加工層數(shù)增加，翹曲現(xiàn)象會越發(fā)明顯。而b和c分別是350W激光功率下1000mm/s和1400mm/s掃描速度的典型微觀光鏡圖，從b可以看出在高激光功率和低掃描速度下，樣品內(nèi)部形成了大量的球形孔洞，最大孔徑可達(dá)50μm，這會對致密度造成不良影響。而c所對應(yīng)的是高激光功率高掃描速度下樣品微觀光鏡圖，可以看出樣品內(nèi)部形成了大量微小孔隙和長條狀缺陷。

(a) 掃描速度和激光功率對致密度的影響，（b）(c)不同參數(shù)下的金相圖

為了進(jìn)一步提升致密度，進(jìn)行了第二次正交實驗，激光功率設(shè)置為150W，175W，200W，225W四組，激光掃描速度設(shè)置為1100mm/s,1200mm/s,1300mm/s,1400m/s四組。

a和b分別顯示了激光能量密度對SLM加工試樣致密度的影響，其中b為a中標(biāo)注的樣品（I-IV））所對應(yīng)的微觀光鏡圖。從a中可以看出，隨著能量密度E的增大，樣品的相對密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這與b中的孔隙數(shù)量變化一致，其中樣品II的致密度達(dá)到了98.21%,相對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)顯示，冶金結(jié)合層沒有孔隙和裂紋，如b所示。隨著能量密度的降低，樣品IV的致密度降到了98.07%，這是因為在此能量密度下，粉末未充分熔化。樣品I中的表面缺陷表現(xiàn)為球形孔隙，樣品IV中的表面缺陷卻呈現(xiàn)不規(guī)則的長條形。

(a) 能量密度對致密度的影響，（b）其中四個樣品的金相圖

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不同工藝參數(shù)下經(jīng)SLM加工的Ti15Mo樣品橫截面層間顯微結(jié)構(gòu)

（a）E=40.79J/mm3,V=1100mm/s，（b）E=33.39J/mm3,V=1200mm/s，

（c）E=34.52J/mm3,V=1300mm/s，（d）E=32.05J/mm3,V=1400mm/s

2. 力學(xué)性能分析

制作拉伸試樣，對比不同參數(shù)下機械性能的差別，測試結(jié)果如下圖所示。四組參數(shù)的拉伸極限抗拉強度差別不大（839.45-854.58Mpa），延伸率受能量密度的影響較大，可以看出隨著能量密度的增加拉伸樣的延伸率也在增加。在能量密度為40.79%J/mm3時，拉伸樣的延伸率達(dá)到了32.33%，而在能量密度最低的那組樣品，延伸率則是21.04%。

圖不同打印參數(shù)的拉伸樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線

對拉伸試樣的端口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在a中可以看到大量的亞微米級大小的韌窩，這表明該圖對應(yīng)參數(shù)（E=40.79J/mm3，v=1100mm/s）下制備的樣品延伸率較高。隨著能量密度的降低，韌窩的分布也逐漸發(fā)生改變：高能量密度下的聚簇韌窩a→中等能量密度下的局部韌窩（b,c）→低能量密度下的分散韌窩（d）。隨著能量密度的降低可以明顯看到韌窩的分布面積逐漸減少，而端口上的韌窩越多試樣的延伸率就越好。

不同加工參數(shù)下Ti15Mo的SLM試樣斷口形貌：

（a）E=40.79J/mm3,V=1100mm/s，（b）E=33.39J/mm3,V=1200mm/s，

（c）E=34.52J/mm3,V=1300mm/s，（d）E=32.05J/mm3,V=1400mm/s

結(jié)論：

1.通過致密化研究，在最佳SLM加工參數(shù)（P=175W,V=1200mm/s,E=J/mm3）下，獲得的最大相對密度為98.21%，在高掃描速度（1400mm/s）下，會出現(xiàn)缺陷。在低掃描速度（1100mm/s）下，熔池內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋和球形缺陷。隨著能量密度的增加，熔池分布變得更加規(guī)律，熔池重熔程度增加。